“빛이 기울어도 색은 정확” KAIST, 차세대 이미지 센서 ‘판’ 바꾸는 연구 성공

KAIST-한양대, ‘메타물질’ 활용해 초소형 픽셀에서도 안정적 색 분리 기존 ‘사선 입사’ 한계 세계 최초 극복 사선 입사조건도 문제없는 나노포토닉 컬러라우터 기술 (AI 생성 이미지).사진제공=KAIST 국내 연구진이 빛의 흐름을 정밀하게 제어하는 ‘메타물질’ 기술을 활용해 어떤 각도에서도 색이 흐트러지지 않는 새로운 이미지 센서를 개발했다. 이 기술의 상용화를 통해 향후 스마트폰이 얇아지더라도 어두운 곳에서 더욱 또렷한 사진을 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 15일 KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀은 한양대학교 정해준 교수 연구팀과 함께 빛의 입사각이 달라져도 안정적으로 색을 분리할 수 있는 이미지 센서용 메타물질 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 스마트폰 카메라는 매우 작은 렌즈로 빛을 한곳에 모아 사진을 찍어왔다. 하지만 카메라 속 픽셀이 너무 작아지면서 렌즈만으로는 빛을 충분히 모으기 어려워졌다. 이에 새롭게 등장한 것이 ‘나노포토닉 컬러 라우터’다. 이는 렌즈로 빛을 모으는 대신, 눈에 보이지 않을 만큼 작은 길을 설계해 해당 구조에 들어온 빛을 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 등 색깔별로 정밀하게 나누는 메타물질 기반 기술을 말한다. 앞서 삼성전자 역시 해당 기술을 ‘나노 프리즘(Nano Prism)’이라는 이름으로 실제 이미지 센서에 적용하며 상용화 가능성을 보여준 바 있다. 이론상으로도 매우 미세한 나노 구조를 여러 층으로 쌓으면 빛을 더 많이 모으고 색을 더 정확히 나눌 수 있다. 하지만 기존 나노포토닉 컬러 라우터는 스마트폰 카메라에 활용해 상용화하기에 한계가 있었다. 빛이 정면에서 들어올 때만 잘 작동하고 비스듬히 들어올 경우 색이 섞이거나 성능이 크게 떨어지는 ‘사선 입사 문제’가 발생한 것이다. 연구팀은 사람이 직접 구조를 설계하는 대신 컴퓨터가 가장 좋은 구조를 스스로 찾도록 하는 ‘역설계(inverse design)’ 방식을 적용해 문제를 해결했다. 이를 통해 빛이 들어오는 각도가 달라져도 안정적으로 색을 나눌 수 있는 컬러 라우터 구조가 도출됐다. 그 결과 기존 구조는 빛이 약 12도만 기울어져도 제 기능을 거의 하지 못했지만, 새롭게 설계된 구조는 ±12도 범위에서도 약 78%의 광효율을 유지하며 안정적인 색 분리 성능을 보였다. 실제 스마트폰 사용 환경에서도 충분히 활용할 수 있는 수준을 구현한 것이다. (왼쪽부터) 전기및전자공학부 박찬형 박사과정, 물리학과 전재현 학사과정, 전기및전자공학부 장민석 교수. 사진제공=KAIST 장민석 교수는 “이번 연구는 컬러 라우터 기술의 상용화를 가로막아 온 입사각 문제를 처음으로 체계적으로 분석하고 해결 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “제안한 설계 방법은 컬러 라우터를 넘어 다양한 메타물질 기반 나노광학 소자 전반에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’에도 지난달 27일 게재됐다.